柴油泵的工作原理主要基於柱塞在柱塞套內的往復運動。當發動機工作時，凸輪軸上的驅動齒輪帶動發動機油泵的傳動齒輪，使固定在主動齒輪軸上的主動齒輪旋轉，從而帶動從動齒輪作反方向的旋轉。這樣，將發動機油從進油腔沿齒隙與泵壁送至出油腔，進油腔處便形成低壓而造成吸力，把油底殼內的發動機油吸進油腔。
在噴油泵中，柱塞在柱塞套內的往復運動同樣完成吸油和壓油的過程。當柱塞位於下部位置時，柱塞套上的兩個油孔被打開，燃油迅速注滿油室。當凸輪頂到滾輪體的滾輪上時，柱塞便升起，燃油從油室被擠出，流向油道。當柱塞將油孔擋住時，便開始壓油過程，柱塞上行，油室內油壓急劇升高，當壓力超過出油閥的彈簧彈力和上部油壓時，就頂開出油閥，燃油壓入油管送至噴油器。
當曲軸帶動凸輪軸轉動時，轉子也跟隨著轉動。然後，轉子上的凸輪就會按照特定的順序將柱塞推向運動方向，從而使泵腔內的壓力增加。當達到預設的壓力時，高壓油管中的噴嘴就會打開，將燃油噴入到氣缸中，從而實現發動機的燃燒。